上海正偉GPRS無線水質監測系統方案|DTU

分類：解決方案日期：2010-07-16 09:32:14

1. 概述

環境監測是環境保護工作的重要組成部分，是環境管理的基礎和技術支持。隨著我國工業化和城市化的迅速發展，環境保護也相應大力發展起來。這樣就迫切需要加快全國環境管理基礎能力的建設，提高環境監測能力和環境監督執法管理水平。

排污口水環境實時自動監測系統的研制在我國剛剛起步，歐美一些發達國家在這方面已趨向成熟，例如美國等一些工業發達國家，幾乎在每個排污口都安裝了有關監測儀器，對污水處理設施的運行情況以及排污流量、PH值、DO、電導、燭度、溫度等值進行自動監控，在監控中心可以隨時知道排污口染物的排放情況。在韓國已有50％的企業做到了對以下四項指標的實時自動監控：污水處理設備運行情況、流量、PH值和溶氧。

我國目前大部分地區的水環境監測主要是以化學化為主。即人工定期（或不定期）的現場采樣、化驗、水質分析。這樣工作量大且具有隨機性，不能準確反映整個水量水質的變化過程，因而不能做到為水環境評價和環境治理的可靠依據。

由于我國經濟發展過程中出現越來越多的水環境污染問題，近年來國家已充分重視和加強對環境污染的治理。為了配合這項工作，改進水環境監測手段和方法已顯得尤為重要。

上海正偉數字技術有限公司在充分調研、考察、征詢客戶意見等基礎上，研制開發了集自動化、即時化、智能化于一體的經濟實用的水質量無線監測系統。該系統可以對排污口污水的PH值、DO、溫度、電導和排污流量進行實時監控，通過GPRS/CDMA無線終端將數據傳送到監控中心和環境管理部門，工作人員可以在監控中心或辦公室進行遠程監測，隨時得到即時數據報告，實現遠端無人值守。同時運用GPRS/CDMA無線網絡還可把中心采集的水質信息發送到LED顯示屏上，且可隨時更新屏幕的內容。

2. 系統組成、工作原理

系統主要是由一個監測中心，若干個固定監測站，若干個LED顯示屏和專用GPRS/CDMA無線終端組成。監測中心對各個監測站進行控制指揮，各監測站收集各種污染參數，兩者間的控制信號和監測數據通過GPRS/CDMA無線終端傳送完成。監測中心既是各監測站的指揮中心，又是監測站監測數據的匯集、處理的存儲的數據庫。各監測站可設置為自動向監測中心發送信息；也可設置為平時處于待機狀態，在收到監測中心的指令后才開始啟動工作，將信息發送給監控中心。各監測站有數據采集。命令識別、數據發送的功能。監控中心又可將收集回來的數據信息通過GPRS/CDMA無線終端傳送到各地的LED顯示屏上。同時，監測中心可通過軟件隨時對LED屏實施遠程修改和更新信息。LED顯示屏顯示信息可以有多種顯示方式，如：移動，翻屏，展入，展出，開屏等多種方式。顯示屏具有表面平整、顯示均勻、發光亮度好、顯示效果清晰穩定, 配有十幾種循環變化方式。高亮度、寬視覺、長壽命、重量輕、模塊化結構、安裝方便、易于維護等特點；支持中英文全兼容顯示，還可顯示其它各國文字及簡單圖形。

監測中心由功能較齊全的計算機外圍設備如顯示器、打印機、繪圖機等組成。各監測站由各種采集參數的探頭、PAC可編程自動控制器和GPRS/CDMA無線終端組成。LED顯示屏由顯示屏體，LED控制系統和GPRS/CDMA無線終端組成

3. 系統方案說明

在水質系統中，常常需要對眾多的排污口污水的PH值、DO、溫度、電導和排污流量進行實時監控實時監測，大部分監測數據需要實時發送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環境較惡劣的地區，通過電話線傳送數據往往事倍功半，通過GPRS/CDMA/EDGE無線網絡進行數據傳輸，成為水質監測部門選擇的通信手段之一。污染源監測設備可將采集到的污染數據和告警信息通過GPRS/CDMA無線網絡同時發送到多個水質監測部門，實現對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高環保部門的工作效率。

3.1系統結構圖：(如圖1)

3.2. 系統方案組成

3.2.1.水質監控中心

監控中心服務器通過ADSL或電話撥號接入Internet，或申請配置專線，通過光纖、DDN等數據專線直接和移動中心機房的GPRS/CDMA 網絡連接。監控中心服務器上安裝相關監控系統軟件。監控系統軟件包括監控中心服務器、數據庫服務器兩個部分。

1、監控中心服務器實現實時監控、數據管理分析、業務管理等功能；

2、數據庫服務器進行數據存儲、備份；

具體實現時，監控中心服務器、數據庫服務器可以安裝在一臺服務器中，也可以安裝在不同服務器中。

軟件系統特點：

1、純JAVA系統設計：采用JAVA技術進行設計開發，具有強大的穩定性、安全性、兼容性、可擴展性；

2、先進的B/S結構：系統使用先進的B/S結構，用戶只需要使用瀏覽器就可以通過環保內部的網絡完成污染源管理和污染源監控功能。使用BS 結構不僅極大的方便了環保部門相關人員的使用，而且為環保局未來向公眾公公布環境數據提供了方便。

3、管理決策支持：基于完整的、實時的業務數據，智能的決策支持系統可以為管理者提供豐富的決策支持信息，實現業務運營的有效管理。

4、功能擴展性：整個系統具有極強的開放性和可伸縮性，可以方便的與各類數據分析軟件連接，為環保局和其他政府部門共享信息提供了方便。

3.2.2、GPRS/CDMA無線傳輸終端

水質監控儀器通過RS232或RS485串口直接與正偉環保專用GPRS/CDMA無線傳輸數傳設備（智能型GPRS/CDMA調制解調器）連接，并由其建立無線數據連接與監控中心進行雙向數據通信。水質監控儀器如污水流量計、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）、PH 探頭等測量儀可根據系統實際監控地點的需求選擇對應測量儀器。

設備技術參數

正偉GPRS終端的外形示意圖如圖2所示：

圖表 2

終端的接口和參數如下：

電源接口：直流5－16V；

SIM卡接口，3VSIM卡；

天線接口；

LED接口，DB9母接口；

輸入輸出控制接口，RJ45接口；

MICPHONE接口；

功耗：0.1-2W

3.2.3. LED顯示屏

顯示屏設置在需要發布信息的各個遠程位置，每個顯示屏均配置一個信息發布終端，信息發布終端通過SM或者GPRS與中心計算機通信。采用GPRS方式時，終端通過GPRS方式連接到INTERNET互聯網，同時，用于發布信息的計算機也通過專線、ISDN、ADSL、撥號等多種方式連接到INTERNET網絡，通過互聯網的溝通連接，中心計算機就可以以TCP/IP的方式與各個顯示屏進行集中的數據傳輸和發布，無論顯示屏是否放置在同一個城市、同一個區域，都可以在管理中心集中進行廉價的信息發布，實現信息發布的統一管理和維護。系統可以方便不同地域或者眾多顯示屏的實時信息發布。

功能特點：

除電源外無需任何布線，節省材料及施工成本

不受時間、地域、氣候限制，屏幕可以隨處放置

管理中心遠程信息更新，無需任何現場操作

可以遠程修改屏幕參數及更新屏幕信息

更新速度快，可以隨時修改信息，與現場修改相比具有明顯優勢

信息更新可以統一對全部屏幕操作，也可以對任意一個或幾個操作

運作費用低，與人工修改信息相比，沒有后期使用成本

發布軟件可以保存發布的信息和發布人信息，方便查詢，便于系統維護

所有屏幕統一管理，維護，提高維護效率，降低維護成本

整個系統更可控、可靠，充分發揮系統的效率和優越性

通過修改軟件提供其他需要的功能

異步圖文控制卡參數如下：

適用范圍: 單色/雙基色

掃描占空比:1/4

最大控制點: 124K (K=1024)

橫向最大點: 1280

縱向最大點: 96

存儲容量: 標配512KB（最大可定制1MB）

時鐘顯示: 有

串移時鐘:僅支持16點1個CK

時鐘頻率:11MHz、5.5M、3.7M、2.8M

場掃描頻率:>90Hz

供電電源: 5V

LED顯示屏如圖3 ：

圖3

3.3系統功能

實時監控

對企業監測點的排污量、設備運行等情況進行實時監控，并以人性化的界面顯示有關數據；

數據接收

數據接收方式有兩種，一種是監測點通信控制器定時向中心返回監測數據（一般按1個小時返回，也可以通過用戶設置）；一種是通過中心向監測點通信控制器發送查詢指令，監測點通信控制器返回當前監測的實時數據；

報警處理

當監測到排污超標、檢測設施非正常關閉等事故時，軟件能自動識別事故類型，并及時向環境監理部門發送報警信息，使環境監理部門能夠以最快的速度及時對企業的違規行為進行糾正、制止，從而保證了環境監理信息傳遞的順暢、完整；

統計分析

a) 對所選擇污染源監測點的監測數據進行各種分析，以曲線圖、直方圖和表格等形式進行顯示。可選擇行業、區域、時間段等條件。包括污染源分析、污染源對比分析、綜合分析、綜合對比分析和監理報告資料分析等；

b)污染源分析可根據條件對污染物排放量和污水排放量進行分析；

c) 污染源對比分析可根據條件對某一污染源進行按月分析和按年分析；

d) 綜合分析可根據條件對污染物、污染類型（水）和治理設備（運行時間）進行分析；

e) 綜合對比分析可根據條件對污染物、污染類型（水）和治理設備（運行時間）進行按月分析和按年分析

數據存儲

本設備能自動監測、記錄、存儲、傳送數據，實時采集各類環保測量儀器的輸出信號，并將測量數據通過無線遠程發送至環保監控中心，同時將數據保存在本機大容量數據存儲器中。

參數設置

1、可按照設置的時段采集一組數據，并實時發送至環保監控中心。GPRS/CDMA 網絡是全球分布最廣的無線網絡，使用GPRS/CDMA 的優勢在于實時、無線、遠程、誤碼率極低、安裝簡便無需布線等特點。

2、可按照設置的時段采集一組數據，并保存在本機內部大容量數據存儲器中；

3、可以通過串行接口對系統各項運行參數進行設置。對每個通道的采樣數據進行物理量的換算對應，從而使終端保存或發送的數據都是符合現場測量指標的數據；

4、可通過串行接口訪問機內大容量存儲器中的數據。將終端保存數據保存到計算機數據庫中，以備分析備案；

5、可按照條件設置系統各通道的報警條件，觸發報警，并可實時將報警信號發送至監控中心。

軟件模擬界面

4.無線水質監測系統的優勢

中國移動或者中國聯通GPRS/CDMA系統可提供廣域的無線IP連接。在移動或聯通通信公司的GPRS/CDMA業務平臺上構建水質監測采集傳輸系統，實現水質監測采集點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS/CDMA系統作為水質監測采集傳輸系統的數據通信平臺。
GPRS/CDMA無線水質監測系統具備如下優勢：
1、實時性強：
GPRS/CDMA具有實時在線特性，系統無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個或所有監測點的各種數據。可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、可對各監測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS/CDMA雙向系統還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，并可進行系統遠程在線升級。
3、建設成本少低：
由于采用GPRS/CDMA公網平臺，無需建設網絡，只需安裝好設備就可以，建設成本低。
4、監控范圍廣：
構建水質監測采集傳輸系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由于水質信息采集點數量眾多，分布在全省范圍內，部分水質信息采集點位于偏僻地區，而且地理位置分散。
5、具有良好的可擴展性:
由于目前GPRS/CDMA網絡已覆蓋省內絕大部分地區，基本不存在盲區，可實現大范圍的在線監控，滿足水質信息采集傳輸系統對覆蓋范圍的要求。
6、系統的傳輸容量大：
水質監測中心站要和每一個水質信息采集點實現實時連接。由于水質數據信息采集點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS/CDMA技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
7、數據傳送速率高：
每個水質信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
8、通信費用低：
采用包月計費方式，運營成本低。

5.安全措施

由于水質監測系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。以GPRS為例，數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Radius服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。

1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。

2、用SIM卡的唯一性：對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

3、對于特定用戶：可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼，其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。

4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。

5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

6.系統成本

一套完整系統的所有設備和軟件及建設成本列表如下:

序號	項目	數量	單價（元）	功能
1	GPRS無線傳輸設備	20		GPRS傳輸，每監測點一個
2	LED顯示屏	20
3	中心控制設備	1		設置參數
4	中心軟件	1		中心管理、控制
5	電子地圖	1		電子地圖顯示監控點
6	計算機	1	0	自備
7	SIM卡	41		自備
8	ADSL上網	1	0	自備
9	固定IP地址	1	0	自備
10	安裝費用
11	運輸費用
12	稅收費用
13	合計

7.結論

采用有線方式，租用靜態 IP目前費用比較高約800~1500元/月。采用GPRS/CDMA無線方式，系統流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，GPRS按流量計算0.01元K，而包月制20元/月有50M流量，可滿足省水質監測局目前水質數據采集系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。對于水質監測局等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當水質觀測站和水質信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于水質信息采集工作的特點。
采用GPRS/CDMA構建水文數據采集系統，不僅能很好地滿足水質信息采集監測的需求，而且，做為網絡運營商的移動或聯通通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動或聯通通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。